海上大型測風(fēng)塔設(shè)計(jì)與施工工藝

◎ 李長城 中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司

1.工程概況

防城港海上風(fēng)電場項(xiàng)目建設(shè)于廣西防城港市后湖海上風(fēng)電場南面海域，擬建場地與最近陸域相距40km。施工內(nèi)容以測風(fēng)塔為核心，建設(shè)區(qū)水深約35m，海域四周開闊，具有良好的海上風(fēng)力資源。本工程的工作原理是在鋼管樁上部安放一個(gè)測風(fēng)平臺(tái)，之后在平臺(tái)上安裝光伏板、蓄電池和測風(fēng)裝置，最后通過測風(fēng)裝置向上空發(fā)射激光波束，聯(lián)合感應(yīng)器收集風(fēng)向、風(fēng)速等信息。

2.測風(fēng)塔的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 測風(fēng)塔的形式

海上測風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際建設(shè)條件靈活選擇。一是自立式測風(fēng)塔，特點(diǎn)在于塔體下部寬度較大，施工所需材料用量偏多，對(duì)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性提出較高要求；二是拉線式測風(fēng)塔，優(yōu)勢在于穩(wěn)定可靠、材料用量較少，但拉線基礎(chǔ)施工工作量較大。

擬建測風(fēng)塔的建設(shè)除考慮現(xiàn)場環(huán)境對(duì)裝置的影響外，還兼顧到測風(fēng)塔對(duì)過往船舶的通航影響，若選擇拉線式測風(fēng)塔將影響船舶的正常通行，主要原因在于船舶難以準(zhǔn)確辨別拉線位置，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)安全事故。對(duì)此，決定采用自立式測風(fēng)塔，考慮到基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求，配套使用鋼管樁基礎(chǔ)。

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海上測風(fēng)塔為高聳結(jié)構(gòu)建筑物，基礎(chǔ)形式一般可分為樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)或二者相結(jié)合三種形式，其中以樁基礎(chǔ)形式最常見。適用于測風(fēng)塔的樁基礎(chǔ)又分鉆孔灌注樁、預(yù)制鋼筋混凝土樁和鋼管樁，其中以鋼管樁的形式最常見，而在預(yù)制鋼筋混凝土樁中基本采用管樁。在海上測風(fēng)塔采用樁基礎(chǔ)形式時(shí)，也可選用單樁、三樁、四樁或多樁的形式進(jìn)行搭建。

防城港測風(fēng)塔項(xiàng)目采用了單樁形式，其在單樁頂部直接架設(shè)測風(fēng)平臺(tái)，然后通過焊接加強(qiáng)鋼板以實(shí)現(xiàn)固定，并且在單樁沉樁作業(yè)時(shí)采用吊打工藝。施工中，單樁下部樁徑為2.5m，上部樁徑為1.8m，采用起重船吊打工藝沉樁；其次在鋼構(gòu)加工廠加工好上部的平臺(tái)和靠船構(gòu)件、爬梯，先安裝靠船構(gòu)件、爬梯，再安裝頂部的測風(fēng)平臺(tái)，最后加固平臺(tái)。

2.3 荷載計(jì)算

測風(fēng)塔與周邊海岸的間距較小，建設(shè)期間海況錯(cuò)綜復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)方案必須具有可行性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮多種荷載組合。測風(fēng)塔的使用年限通常為5年或更短，通過對(duì)區(qū)域內(nèi)臺(tái)風(fēng)資料的查閱與分析后，得知最大基本風(fēng)壓為0.55kN/m2，將該值視為測風(fēng)塔運(yùn)行期間的風(fēng)壓，設(shè)計(jì)工況風(fēng)荷載考慮十二級(jí)臺(tái)風(fēng)的條件，具體為0.79kN/m2；內(nèi)力校核工況風(fēng)荷載考慮十三級(jí)臺(tái)風(fēng)條件，風(fēng)壓為0.98kN/m2。

潮流力：以項(xiàng)目所在地多年來的水文資料為準(zhǔn)，經(jīng)分析將流速取為2.4m/s。

外界撞擊力：漁船和海域漂浮物是主要撞擊來源途徑，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，船速V取1.5m/s，船長度L取12m，安全系數(shù)取1.2，根據(jù)此條件展開計(jì)算，求得船舶所形成的撞擊力可達(dá)到20t。

3.測風(fēng)塔施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工方案

施工過程中以海恩32 2起重船作為沉樁施工主體，進(jìn)行吊樁、翻樁和沉樁作業(yè)及單樁沉樁后安裝測風(fēng)平臺(tái)、附屬構(gòu)建；起重船上搭載配D220打樁錘、測風(fēng)平臺(tái)、鋼管樁單樁等施工配套設(shè)備，用6000匹以上拖輪由廈門港劉五店拖至防城港施工海域進(jìn)行測風(fēng)塔施工。又因施工現(xiàn)場面臨開闊海域，常年受季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)影響，對(duì)船舶施工安全構(gòu)成較大威脅?？紤]避風(fēng)條件和指揮中心的布置情況，在具備避風(fēng)條件的防城港北海灣內(nèi)設(shè)避風(fēng)錨地。

3.2 樁基施工

3.2.1 施工要求

樁基施工以機(jī)械化方式為主，配套起重船、拖輪、錨艇、液壓式樁錘、交通船等設(shè)備。根據(jù)施工要求，打樁船應(yīng)適配合適規(guī)格的樁錘，以便快速完成沉樁作業(yè)。打樁船沉樁的主要工藝流程為：起樁→翻樁→立樁→插樁→錘擊→檢驗(yàn)。打樁期間應(yīng)及時(shí)觀察現(xiàn)場情況并檢測貫入度，保證實(shí)測結(jié)果符合預(yù)期要求。通過GPS準(zhǔn)確定位，利用吊打方法打設(shè)鋼管樁。鋼管樁的沉樁以標(biāo)高為主要控制指標(biāo)，并通過貫入度檢驗(yàn)。

3.2.2 基礎(chǔ)樁吊裝

首先利用海恩322起重船搭載鋼管樁、D220液壓錘、靠船構(gòu)件、測風(fēng)平臺(tái)等設(shè)施，再通過8000匹的“青港拖”拖輪拖帶至施工海域進(jìn)行施工。在運(yùn)輸基礎(chǔ)樁時(shí)要掌握好其方向，將樁頂朝向船艉，樁底朝向船艏，以方便后續(xù)作業(yè)順利開展。之后進(jìn)行打樁，利用海恩322起重船的主鉤和副鉤，分別掛住主吊耳和溜尾鉤進(jìn)行翻樁，然后立樁，完成后通過自重脫落溜尾鉤，并利用鋼管樁自重進(jìn)行沉樁入泥穩(wěn)定，待鋼管樁通過自重入泥穩(wěn)定0.5～1h后起吊液壓錘對(duì)立樁進(jìn)行錘擊，達(dá)到標(biāo)高和貫入度的數(shù)值要求后停錘檢驗(yàn)。打樁作業(yè)完成后方可安裝靠船構(gòu)件和測風(fēng)平臺(tái)。

3.2.3 液壓錘沉樁

沉樁精度控制：通過抱樁器自動(dòng)糾偏裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)整和有效控制每根樁的垂直精度，沉設(shè)過程中利用架設(shè)的全站儀實(shí)時(shí)監(jiān)測及核對(duì)數(shù)據(jù)。本工程中，抱樁器固定在海恩322起重船的右舷處。

壓樁：將D220液壓錘放置在樁基頂部后緩慢下鉤，直至液壓錘帽套至樁上，注意吊鉤張力變化，暫停下鉤，測量人員查看基礎(chǔ)樁垂直度，核對(duì)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的檢測調(diào)整狀況；繼續(xù)下鉤直至吊鉤不帶力，基礎(chǔ)樁在重壓下向下沉降，待基礎(chǔ)樁不再下沉，測量人員再次通過全站儀測量基礎(chǔ)樁垂直度，并核對(duì)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)調(diào)整狀況，直到垂直度滿足要求。

液壓錘試打：試打前檢查液壓錘吊裝狀態(tài)，確保吊錘鋼絲繩完全處于自由狀態(tài)和液壓錘在打樁過程中能隨樁自由下降；檢查完畢后液壓錘開始用低能量級(jí)別施打，手動(dòng)單擊打樁，打樁一次便密切注意樁下降的深度與速率，待樁下降穩(wěn)定和錘芯下落穩(wěn)定后再次按打樁按鈕，禁止在樁下降過程中液壓錘芯下落時(shí)按打樁按鈕，謹(jǐn)防溜樁。

正式沉樁：逐步提高單擊的能量，待樁的貫入度穩(wěn)定后設(shè)置自動(dòng)控制打模式，開始連續(xù)打樁。沉樁過程中經(jīng)常檢查樁的貫入情況、樁體傾斜度等，并作好沉樁記錄。當(dāng)液壓錘樁帽接近抱樁器時(shí)松開抱樁器，沉樁作業(yè)過程中配合大應(yīng)變檢測作業(yè)，測量人員控制好垂直度、樁頂高程至沉樁完成。

3.2.4 打樁監(jiān)測

沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，現(xiàn)場施工技術(shù)、測量人員檢查基礎(chǔ)樁標(biāo)高、垂直度、平面位置等，檢查合格后通報(bào)監(jiān)理工程師檢測驗(yàn)收。

當(dāng)遇到下列情況之一時(shí)應(yīng)立即終止沉樁作業(yè)，并將沉樁記錄及時(shí)通告現(xiàn)場監(jiān)理及業(yè)主，并同設(shè)計(jì)方聯(lián)系，采取相應(yīng)的解決措施：（1）樁頂達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高且最后25cm平均貫入度超過20mm；（2）樁頂未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高且樁頂超高＞1.5m，最后50cm以最大錘擊能量打擊平均貫入度仍＜3mm；（3）樁身嚴(yán)重偏移、傾斜。

整理打樁檢測時(shí)樁身應(yīng)力形式多樣，但以受壓為主，最大壓應(yīng)力≤150MPa，其并未超出樁體材料的承受極限，因此樁身可維持穩(wěn)定狀態(tài)；阻抗反射方面以臨近樁頂處較明顯，除此之外的其它區(qū)域無異常狀況，樁身完整度較好。綜合采用CASE法和CAPWAP法，經(jīng)分析后得知樁身承載力為3000kN，相較于設(shè)計(jì)方案中所提出的1970kN更大，因此承載力表現(xiàn)良好，滿足要求。

3.3 鋼平臺(tái)安裝

取標(biāo)高+8.00m的位置并于該處搭設(shè)施工平臺(tái)。結(jié)束鋼桁架的安裝作業(yè)后，取距離樁頂650mm的位置并于該處設(shè)水平線，從而明確鋼桁架的具體安裝位置，設(shè)置好鋼桁架后安裝剪力支撐。若無誤則安裝鋼平臺(tái)，采取焊接φ400mm鋼管的方式，安裝區(qū)域?yàn)殇撈脚_(tái)下口處，共設(shè)置4根連接鋼管，要求各自的頂標(biāo)高誤差≤2mm。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙預(yù)制構(gòu)件，在陸地工廠組裝成完整的鋼平臺(tái)，確定合適的臨時(shí)吊點(diǎn)，打樁船就位后吊裝鋼平臺(tái)，使其到達(dá)安裝位置上方500～600mm處，勻速下放過程中由施工人員輔助作業(yè)，保證鋼平臺(tái)位置的合理性。鋼平臺(tái)安裝到位后全面檢查，若無誤通過焊接的方式固定。

此外，測風(fēng)涉及到的光伏板、蓄電池和測風(fēng)設(shè)備，已在廈門港劉五店基地提前完成安裝，測風(fēng)平臺(tái)被運(yùn)到現(xiàn)場后，直接套在單樁上并進(jìn)行最后的調(diào)試便可使用。

4.結(jié)語

測風(fēng)塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以海上施工條件為立足點(diǎn)，經(jīng)分析后確定荷載和結(jié)構(gòu)形式。從實(shí)踐結(jié)果來看，施工效果良好，未發(fā)生安全事故，因此測風(fēng)塔的設(shè)計(jì)方案具有可行性。